Funcionamiento de Máquinas Frigoríficas y Bombas de Calor: Ciclo de Refrigeración

Máquinas Frigoríficas y Bombas de Calor: Principios y Funcionamiento

1. Introducción a las Máquinas Frigoríficas

El funcionamiento de este tipo de máquinas es inverso al de los motores. Una máquina frigorífica es todo dispositivo capaz de descender la temperatura de un determinado objeto, lugar o recinto hasta un valor por debajo del de su entorno.

2. Principio de Funcionamiento de las Máquinas Frigoríficas

Recuerda que, según el segundo principio de la termodinámica, el calor solo se transfiere del cuerpo caliente al frío de forma espontánea. Sin embargo, en una máquina frigorífica, el ciclo cerrado toma cierta cantidad de calor Q2 del foco frío, que se llama evaporador, y cede cierta cantidad de calor Q1 al foco caliente, que se llama condensador. Para lograr este objetivo, es necesario suministrar una cierta cantidad de trabajo (W) a la máquina.

El frío se produce normalmente por evaporación de un fluido frigorígeno. Estos son sustancias que cambian de estado por condensación o evaporación a una presión y temperatura determinadas. Deben cumplir ciertas condiciones:

• No ser tóxicos ni provocar explosiones.
• No ser fácilmente inflamables.
• Tener viscosidad suficiente para que no se produzcan fugas fácilmente.
• No ser corrosivos para los metales.
• Desde hace algún tiempo, en caso de producirse una fuga, no deben dañar la capa de ozono del planeta.

3. Constitución y Ciclo de Compresión

Los sistemas más usados son los de compresión y están constituidos por cuatro elementos principales. El fluido frigorígeno circula en circuito cerrado por el sistema y sufre una serie de transformaciones:

1. Es comprimido en el compresor. Este es un proceso no espontáneo que requiere el aporte de energía (W).
2. Es licuado por enfriamiento en el condensador. Aquí cede calor Q1.
3. Es sometido a un proceso de expansión en el sistema de expansión. El fluido disminuye su presión hasta alcanzar la evaporación.
4. Al llegar al evaporador, el fluido se evapora. Toma una cantidad de calor Q2 y enfría el recinto.
5. Tras la evaporación, el fluido recupera las condiciones iniciales para iniciar de nuevo el ciclo.

3.1. Fases del Ciclo de la Máquina Frigorífica

Veamos las fases de la máquina frigorífica:

• A-B: Compresión adiabática del fluido en el compresor en estado de vapor. El volumen del fluido se reduce de V1 a V2 y su presión aumenta de P1 a P2. La temperatura del fluido también aumenta. La máquina recibe la energía (W) necesaria para que actúe el compresor, el cual es movido por un motor de arrastre.
• B-C: Licuefacción o condensación del fluido a presión prácticamente constante en el condensador. El volumen se reduce de V2 a V3. Es decir, el estado del fluido pasa de vapor saturado (húmedo) a un líquido saturado. La máquina cede una cantidad de calor Q1 al foco caliente, mientras que la temperatura se mantiene constante (T1).
• C-D: Expansión adiabática del fluido en el acumulador o expansor, con un ligero aumento del volumen de V3 a V4 y una disminución de la presión de P2 a P1. Este elemento permite la expansión del fluido que sale del condensador a través de la válvula de expansión, que consiste en un orificio calibrado o un tubo capilar donde se produce la expansión y resulta una evaporación parcial del líquido saturado que pasa a vapor.
• D-A: Evaporación a una presión prácticamente constante en el evaporador con un aumento de volumen de V4 a V1. Aquí el fluido frigorígeno se transforma en vapor saturado. La máquina absorbe una cantidad de calor Q2 del foco frío y provoca el enfriamiento. El fluido, una vez recuperadas sus condiciones iniciales (P1 y V1), puede volver a comenzar el ciclo. El proceso se realiza a una temperatura prácticamente constante (T2).